風電場接入對發電計劃和調度的影響

西昌學院機械與電氣工程學院 佘慶桃 褚曉銳

國家發改委能源研究所與國際能源署（IEA）在2019年10月19日發布的《中國風電發展路線圖2050》擬定了未來40年中國風電發展目標：裝機容量到2020年達到2億千瓦、2030年達到4億千瓦和2050年10億千瓦，到2050年風力發電將滿足17%的國內電力需求。未來40年為實現這個目標將帶來12萬億元建設投資需求。投資經濟性方面，按照計劃預計到2020年左右陸上風電投資成本將與煤電投資持平。為解決風電并網問題，急需制定和落實風電分級和跨區域消納，協調風電、其他形式的電源和大規模電網建設與運行，改革并完善電力市場運行機制。

1 風電場的特性

風量的大小決定了風電出力，而環境氣候又影響風量大小和持續時間，這就造成了風電場出力存在波動性和隨機性。盡管無法管控風力的變化，但可讓風力發電變得更有價值及可預測性。根據風電場所處地理位置的氣候條件及風電場相關歷史數據進行風電預測，結合恰當的預測方法進行風電建模，還可實現風電場功率預測。由于實際應用的需求和預測時間的不同，最好采用不同的方法及數學模型，實現最優預測策略。因為風電廠每日發電量存在一定波動，而電網最被人們所需要的就是可靠性。電網的潮流分布、流向、電壓和功率都會受風電接入電網影響；同時電能質量和電網的暫態特性也會受輸電線路網損的影響。風電場不同接入方案也會對系統造成不同的影響。電網運行時的電壓跌落、電壓波動與閃變和諧波也會受風電機組影響，而且在風電并網時還會產生諧波和閃變。

2 風電場接入對電網靜態穩定性的影響分析

風電場就近接入電網，接入點位置單一，地理位置偏僻遠離負荷中心，需長距離輸電網。風電場容量在電網總裝機容量中比例不高，所以對電網頻率的影響甚微。風電場一般位于電網末端，網架結構薄弱。對于含雙饋電機的風電場，轉子也接入電源，在發出有功無功功率時，無功功率不平衡是由于風電場兩級變壓器和輸電線路消耗的無功功率造成的，電壓變化原因是線路電阻、電抗與功率損耗引起的，因此電壓穩定性受到風電場接入對電網的影響；對于含異步發電機的風電場，異步發電機會產生鐵耗，且異步發電機是感性的,定子繞組靠電網電壓進行勵磁，在發出有功功率的同時會吸收電網滯后性的無功功率，導致風電場接入點無功不足節點電壓降低；對于含直驅永磁同步發電機的風電場，該風機特點是結構簡單，風輪與發電機轉子直聯，提高了機組可靠性和傳動效率，發電量比常規風力發電機組提高了5～15%。永磁直驅風機具備較強電容補償、低電壓穿越能力，同時對電網沖擊小，有較好的電網兼容性。

為增強靜態電壓穩定性，需增加風電場的有功出力來提高負荷特性極限功率,同時風電場的無功需求又使得負荷特性的極限功率降低，削弱了靜態電壓穩定性。在過去20年風電發展過程中，各地風電場的不斷新建、改建及擴建，可能一個電網中有不同類型的風電場，每個風電場中又有不同類型的風機。電壓的穩定與接入點的短路容量、送出線路R/X的比值和風電場的無功補償措施有關。為了提高接入電網的靜態穩定性，可考慮在風電場規劃設計階段優化電網結構，提高風電接入點的短路容量；設計輸電線路是考慮降低線路的電阻、電抗和功率，減少輸電線路的無功損耗；對于風電場出力過程中無功不足的情況，可考慮在風電機組旁增設動態無功補償裝置，其響應快、跟隨性強，比如就地增設SVG。

3 風電場接入對電網暫態穩定性的影響

感應發電機無勵磁系統，勵磁需從電網中吸收滯后的電流。隨著有功出力的增加機端從電網中吸收無功功率亦增加，導致機端電壓下降，有些在機端配備并聯無功補償裝置來改善機端電壓達到電網要求。在電網短路故障瞬間，對于擾動不大的情況，感應發電機有能力在轉差變化不大情況下達到新的平衡狀態,滿足機械轉矩與電磁轉矩平衡。當系統電壓下降過大、激磁磁場的磁通下降，異步發電機將達不到機械轉矩與電磁轉矩平衡，發電機轉速將不斷上升。如電網電壓不能在一定時間內恢復正常，無法恢復平衡狀態，將會導致風力發電機組退出運行。如果風電場中同時切除大量的機組，可能會導致電網的功角不穩定。

風電接入強電網的優勢在于大型風電場發生三相短路后，即使沒有無功補償系統電壓也可恢復。由于局部電網的特性和控制能力，風電場在達到極限穿透容量時系統的暫態穩定性可能無法保證。風電并網前除了要做試驗與研究還應做好檢測工作，包括風電機組并網檢測（即型式試驗）和風電場并網檢測（即現場檢測）。在系統的無功儲備充足情況下，當接入的風電容量在一定范圍內，系統的暫態穩定性受風電場在故障和系統解列影響不大。

按照《國家能源局關于加強風電場并網運行管理的通知》（國能新能〔2011〕182號）、《國家能源局綜合司關于印發風電機組并網檢測工作協調會議紀要的通知》（國能綜新能〔2012〕160號）以及相關國家標準的要求，風電場并網檢測內容包括風電場并網性能評價；風電場電能質量檢測；風電場的風電機組低電壓穿越能力驗證檢測（抽檢）；風電場有功、無功控制能力檢測。按照《風電機組并網檢測管理暫行辦法》（國能新能〔2010〕433號）的規定，風電機組并網檢測內容包括：風電機組電氣模型驗證；風電機組低電壓穿越能力檢測；風電機組電網適應性檢測；風電機組有功功率、無功功率調節能力檢測；風電機組電能質量檢測。

所以一方面要對電網結構進行優化，保證風電場接入的是強電網；同時在接入前應做好風電接入容量測試，保證接入容量在電網控制范圍內；做好并網檢測保證風電場并網后保證電網的暫態穩定性。

4 風電場不同的控制方式對發電的影響

根據電網預測規范，根據風電場的歷史風速、歷史功率、天氣預報數據、地形地貌、風電機組設備運行狀態等數據建立風電場輸出功率的預測模型，模型的輸入量是風速、功率或數值天氣預報數據，同時結合風電場機組的運行工況和設備狀態，預測風電場未來的有功功率。理論功率計算方法可參見《風電場理論發電量與棄風電量評估導則》NB/T31055-2014。

風電場的動態性能會根據風電場不同的控制方式而變化。在保證安全和穩定的前提下，為提高風電場運行效率，根據當前電網運行狀態和風電場的運行工況，應實時調整風電場的控制方式，主要有恒電壓控制方式和功率因數控制方式。恒電壓控制是系統無功不足時充分發揮風電場的無功補償能力，當系統發生故障時參與電網的電壓控制，還可緊急切換控制方式來提高風電場的故障穿越能力。風電場實時監測接入點電壓，監控系統統一控制風電場的無功功率，而有功功率控制是以捕捉最大風能為目標。當系統無功充足時，風電場的無功調節對電網的影響不大。從經濟運行考慮，為了減少運行損耗提高風電機組出力，風電場宜采用功率因數控制方式。

5 制定綜合控制策略

風電出力對系統負荷峰谷差的影響，取決于風電日內出力變化幅度及方向與負荷變化幅度及方向的關系。風能資源監測數據是進行風能資源開發利用的基礎。電網調控機構的風電功率預測系統應能預測單個風電場至整個調度管轄區域的風電輸出功率。根據風電對電網等效負荷峰谷差改變模式的不同，將風電日內出力調峰效應分為正調峰、反調峰與過調峰3種情形。當系統負荷與風電日內出力增減趨勢基本一致、且系統負荷峰谷差大于風電出力峰谷差，風電接入后系統等效負荷曲線峰谷差變小，實現風電正調峰；當系統負荷曲線與風電日內出力增減趨勢相反，風電接入后系統等效負荷曲線峰谷差變大，實現風電反調峰；當系統負荷與風電日內出力增減趨勢基本相同，系統負荷峰谷差小于風電出力峰谷差，風電接入后系統等效負荷曲線峰谷反轉，變成風電過調峰。而且在負荷相對于風電裝機容量的比例較小時才有可能出現風電過調峰。

在對某市某典型日風電出力和負荷曲線進行了分析后，不難發現在每日峰谷時刻負荷需求都與風電場的出力相反，說明風電場具有明顯的反調峰特性。調控部門應能對預測曲線進行誤差估計，同時對風電功率預測曲線進行修正，預測給定置信度的誤差范圍。電網調控機構的風電功率預測系統預測值的時間分辨率為15分鐘；單個風電場每15分鐘提供一次未來4小時風電功率預測數據；同時至少應提供次日96點單個風電場和區域風電功率預測數據。由于接入電網常規電源調峰能力有限，調控部門在進行調峰時，除調用有調峰能力的水電和風電接入電網內的火電進行調峰，為解決調峰問題還可考慮調動相鄰電網水電進行調峰。

綜上而言，根據風電的隨機性,結合風電場的運行工況可靈活改變電風電場的控制方式，在恒電壓控制和功率因數之間切換，使風電場運行達到最大的經濟效益。大規模風電接入使電網調峰需求急劇增加，調度可靈活的利用網內和網間具有調峰能力的水、電進行調節。